Sfaturi și tehnici pentru proiectarea plăcilor de circuite mici pentru a micșora dimensiunea plăcii

Pentru orice produs electronic, fie că este vorba de un telefon mobil complex sau orice altă jucărie electronică simplă la preț redus, plăcile de circuite imprimate (PCB) sunt o componentă esențială. Într-un ciclu de dezvoltare a produselor, gestionarea costurilor de proiectare este o problemă uriașă, iar PCB este cea mai neglijată și mai costisitoare componentă a BOM. PCB costă mult mai mult decât orice altă componentă utilizată într-un circuit, astfel încât reducerea dimensiunii PCB-ului nu numai că va reduce dimensiunea produsului nostru, dar va reduce și costurile de producție în majoritatea cazurilor. Dar, cum să reduceți dimensiunea PCB-ului este o întrebare complexă în producția de electronice, deoarece dimensiunea PCB-ului depinde de câteva lucruri și are limitările sale. În acest articol, vom descrie tehnicile de proiectare pentru a reduce dimensiunea PCB prin compararea compromisurilor și a posibilelor soluții la acestea.

PCB multi-strat pentru reducerea spațiului de urmărire și a spațiului dintre componente

Spațiul major al unei circuite imprimate este ocupat de rutare. Etapele prototipului, ori de câte ori este testat circuitul, utilizează un strat sau maximum de placă PCB cu strat dublu. Cu toate acestea, de cele mai multe ori, circuitul este realizat folosind SMD (Surface Mount Devices) care obligă proiectantul să utilizeze o placă de circuit dublu strat. Proiectarea plăcii într-un strat dublu deschide accesul la suprafață la toate componentele și oferă spații plăcii pentru direcționarea urmelor. Spațiul suprafeței plăcii poate crește din nou dacă stratul plăcii este mărit mai mult decât cele două straturi, de exemplu, patru sau șase straturi. Dar există un dezavantaj. Dacă placa este proiectată folosind două, patru sau chiar mai multe straturi, creează o complexitate uriașă în ceea ce privește testarea, reparațiile și reprelucrarea unui circuit.

Prin urmare, mai multe straturi (patru straturi în principal) sunt posibile numai dacă placa este bine testată în faza de prototip. În afară de dimensiunea plăcii, timpul de proiectare este, de asemenea, mult mai scurt decât proiectarea aceluiași circuit într-o placă mai mare de straturi simple sau duble.

În general, urmele de putere și straturile de umplere a căii de întoarcere la sol sunt identificate ca trasee de curent mare, astfel că necesită urme groase. Aceste urme mari pot fi direcționate în straturile TOP sau Bottom și căile de curent redus sau straturile de semnal pot fi utilizate ca straturi interne în PCB-uri cu patru straturi. Imaginea de mai jos prezintă un PCB cu 4 straturi.

Dar există compromisuri generice. Costul PCB multistrat este mai mare decât plăcile monostrat. Astfel, este esențial să se calculeze scopul costului înainte de a schimba o placă cu un singur strat sau dublu strat pe patru straturi PCB. Dar creșterea numărului de straturi ar putea schimba dramatic dimensiunea plăcii.

Gestionarea problemelor termice prin schimbarea grosimii cuprului

PCB contribuie la un caz foarte util pentru proiectele de circuite cu curent ridicat, care este managementul termic în PCB. Când un curent mare trece printr-o urmă de PCB, crește disipările de căldură și creează rezistență pe căi. Cu toate acestea, în afară de urmele groase dedicate pentru gestionarea traseelor ​​de curent mare, un avantaj major al PCB-ului este de a crea radiatoarele PCB. Astfel, dacă proiectarea circuitului folosește o cantitate semnificativă de suprafață de cupru PCB pentru gestionarea termică sau alocă spații uriașe pentru urmele de curent ridicat, se poate micșora dimensiunea plăcii utilizând grosimea crescută a stratului de cupru.

Conform IPC2221A, un proiectant ar trebui să utilizeze o lățime minimă de urmărire pentru căile de curent necesare, dar trebuie luată în considerare suprafața totală de urmărire. În general, PCB-urile aveau grosimea stratului de cupru de 1Oz (35um). Dar grosimea cuprului poate fi mărită. Prin urmare, prin utilizarea matematicii simple, dublarea grosimii la 2Oz (70um) ar putea reduce dimensiunea urmelor la jumătate ca o capacitate de curent largă. În afară de aceasta, grosimea de cupru 2Oz poate fi benefică și pentru radiatorul pe bază de PCB. Există, de asemenea, o capacitate mai mare de cupru care poate fi disponibilă și de la 4Oz la 10Oz.

Astfel, mărirea grosimii cuprului reduce în mod eficient dimensiunea PCB-ului. Să vedem cum poate fi eficient acest lucru. Imaginea de mai jos este un calculator online pentru calcularea lățimii urmelor PCB.

Valoarea curentului care va curge prin urmă este 1A. Grosimea cuprului este setată la 1 Oz (35 um). Creșterea temperaturii pe urmă va fi de 10 grade pe 25 de grade Celsius temperatura ambiantă. Ieșirea lățimii de urmărire conform standardului IPC2221A este-

Acum, în aceeași specificație, dacă grosimea cuprului este mărită, lățimea urmelor poate fi redusă.

Grosimea necesară este doar-

Selecția pachetului de componente

Selecția componentelor este un lucru major într-un design de circuit. Există componente ale pachetului aceleași, dar diferite, disponibile în electronică. De exemplu, un rezistor simplu cu o valoare nominală de.125 Watt poate fi disponibil în diferite pachete, cum ar fi 0402, 0603, 0805, 1210 etc.

De cele mai multe ori, PCB-ul prototip folosește componente mai mari care utilizează rezistențe 0805 sau 1210, precum și condensatori nepolarizați, cu un joc mai mare decât cel general, datorită faptului că sunt mai ușor de manevrat, lipit, înlocuit sau testat. Dar această tactică ajunge să aibă o cantitate uriașă de spațiu pentru tablă. În timpul fazei de producție, componentele pot fi schimbate într-un pachet mai mic cu același rating și spațiul de pe placă poate fi comprimat. Putem reduce dimensiunea pachetului acestor componente.

Dar situația este ce pachet să alegeți? Nu este practic să folosiți pachete mai mici decât 0402, deoarece mașinile standard de preluare și plasare disponibile pentru producție pot avea limitări pentru a gestiona pachete SMD mai mici decât 0402.

Un alt dezavantaj al componentelor mai mici este puterea nominală. Pachetele mai mici decât 0603 ar putea suporta un curent mult mai mic decât 0805 sau 1210. Deci, sunt necesare considerații atente pentru a selecta componentele corespunzătoare. Într-un astfel de caz, ori de câte ori pachetele mai mici nu pot fi utilizate pentru reducerea dimensiunilor PCB, se poate edita amprenta pachetului și s-ar putea micșora tamponul componentelor cât mai mult posibil. Este posibil ca designerul să poată stoarce lucrurile puțin mai strâns schimbând amprentele. Datorită toleranțelor de proiectare, amprenta implicită disponibilă este o amprentă obișnuită care ar putea conține orice versiune a pachetelor. De exemplu, amprenta pachetelor 0805 este realizată în așa fel încât să poată acoperi cât mai multe variante posibile pentru 0805. Variațiile se întâmplă datorită diferenței de capacitate de fabricație.Diferite companii folosesc mașini de producție diferite care au avut toleranțe diferite pentru același pachet 0805. Astfel, amprentele implicite ale pachetului sunt puțin mai mari decât este necesar.

Se poate edita manual amprenta utilizând fișele tehnice ale componentelor specifice și ar putea micșora dimensiunea tamponului, după cum este necesar.

Dimensiunea plăcii poate fi micșorată folosind și condensatoare electrolitice bazate pe SMD, deoarece acestea păreau să aibă diametre mai mici decât componentele orificiului traversant cu același rating.

Conectoare compacte New Age

O altă componentă înfometată de spațiu sunt conectorii. Conectorii utilizează spațiu mai mare pentru placă, iar amprenta utilizează și tampoane cu diametru mai mare. Schimbarea tipurilor de conectori poate fi foarte utilă dacă valorile nominale de curent și tensiune o permit.

Compania de producție a conectorilor, de exemplu, Molex sau Wurth Electronics sau orice alte companii mari furnizează întotdeauna același tip de conectori cu dimensiuni multiple. Astfel, selectarea dimensiunii potrivite ar putea economisi atât costul, cât și spațiul pentru tablă.

Rețele de rezistențe

În principal în proiectarea bazată pe microcontroler, rezistențele de trecere în serie sunt ceea ce este întotdeauna necesar pentru a proteja microcontrolerul de curent mare de curent prin pinii IO. Prin urmare, mai mult de 8 rezistențe, uneori mai mult de 16 rezistențe sunt necesare pentru a fi utilizate ca rezistențe de serie. Un număr atât de mare de rezistențe adaugă mult mai mult spațiu în PCB. Această problemă poate fi rezolvată folosind rețele de rezistență. O rețea simplă de rezistoare bazată pe pachetul 1210 ar putea economisi spațiu pentru 4 sau 6 rezistențe. Imaginea de mai jos este un rezistor cu 5 rezistențe în pachetul 1206.

Pachete stivuite în loc de pachete standard

Există o mulțime de modele care necesită mai multe tranzistoare sau chiar mai mult de două MOSFET-uri în scopuri diferite. Adăugarea tranzistoarelor individuale sau Mosfets ar putea duce la mai mult spațiu decât utilizarea pachetelor stivuite.

Există o varietate de opțiuni care utilizează mai multe componente într-un singur pachet. De exemplu, sunt disponibile și pachete MOSFET dual Mosfet sau quad care ocupă spațiul unui singur Mosfet și ar putea economisi o cantitate uriașă de spațiu pentru bord.

Aceste trucuri pot fi aplicate la aproape fiecare componentă. Acest lucru duce la un spațiu de bord mai mic, iar punctul bonus este, uneori, costul acestor componente este mai mic decât utilizarea componentelor individuale.

Punctele de mai sus sunt modalitatea de ieșire posibilă pentru reducerea dimensiunii PCB. Cu toate acestea, costul, complexitatea față de dimensiunea PCB-ului are întotdeauna unele compromisuri cruciale legate de decizie. Trebuie să selectați calea exactă care depinde de aplicația vizată sau de proiectarea specifică a circuitului vizat.